基于Solidworks的往复式活塞压缩机虚拟设计与研究

柏子刚

（桂林电子科技大学信息科技学院， 广西　桂林　541004）

引言

随着工业水平的不断提高，各行各业对活塞压缩机的需求也不断增加，活塞压缩机的种类及结构型式也呈现出多样化的趋势。同时计算机辅助设计（CAD）技术和虚拟现实（VR）技术相结合的虚拟样机技术得到不断发展[1]。本文以两缸往复式活塞压缩机为例，利用大型CAD／CAE集成化软件Solid-Works设计系统，对活塞压缩机进行设计，并通过SolidWorks Simulation对气缸、曲轴等主要零部件的可靠性和安全性进行了有效分析，上述设计方法可以很好地实现压缩机的虚拟设计，并可缩短活塞压缩机的设计周期和有效提高设计质量。

1　虚拟设计系统组成

通常压缩机虚拟设计系统包括总体结构设计模块、热力计算模块、动力计算模块和零件设计模块，如图1所示[2]。

1.1　活塞压缩机总体结构设计

压缩机的型式、级数和列数、各级气缸在列中的排列和各列间曲柄角的排列是决定活塞压缩机整体结构方案的三个主要因素。因此在确定活塞压缩机总体结构方案时，要综合考虑压缩机的用途、排气量和排气压力、运转条件、生产的可能性、驱动方式以及占地面积等条件。综合考虑以上因素，先确定压缩机的型式和级数，逐步定出总体结构方案。

1.2　热力计算

热力学计算分为等压力比计算和不等压力比计算两种形式。多级压缩过程中，常按等压力比计算，这样各级消耗的功相等，压缩机的总耗功也最小。利用总体结构设计中的有效数据信息，比如：排气量、排气压力、压缩机类型等，确定出压缩机各级排气温度，各级压缩性系数及各级的6大系数（容积系数、压力系数、温度系数、泄露系数、抽气系数、凝析系数），进而确定各级气缸行程容积、各级气缸行程等，从而选择合理的电动机[3]。

1.3　动力计算

活塞压缩机动力计算主要是分析活塞组件的运动特性，分析气缸内气体压力随活塞行程位移及按曲柄转角而变化的规律，从而获得活塞式压缩机的惯性力、活塞力、气体力、切向力和连杆力等[4]。活塞压缩机是将曲柄的回转运动转化为活塞的往复直线运动，所以在运动过程中振动是不可避免的，为了减少振动，对活塞压缩机的惯性力平衡计算以及振动分析变得尤为重要。因此惯性力平衡计算及振动分析是压缩机动力计算的核心。

1.4　零件设计

为了简化活塞压缩机的零件设计，将活塞压缩机的零部件划分为传动部件设计、工作部件设计和其它部件设计三个模块，设计时按模块分别设计和划分，同时为后续参数化设计做好准备工作，如图2所示。设计过程中对整机系统的仿真分析以及关键零件的有限元分析日益重要，所以本文运用Solid-Works软件直接得到压缩机零件的3D模型，并进行重要零件的仿真及有限元分析。

2　工作部件设计

2.1　气缸结构设计

气缸是活塞压缩机中主要的工作部件，也是组成压缩容积的主要部分。气缸不但应具有足够的强度、刚度、良好的耐磨性，而且还要有良好的冷却、减阻及密封性；同时还要有良好的制造工艺性和装配工艺性。本文引入SolidWorks三维建模如图3所示。

2.2　气缸有限元分析

引入SolidWorks软件的有限元分析插件Solid-Works Simulation进行校核分析。调用SolidWorks Simulation插件，具体分析过程为五个步骤：一是生成算例；二是选择材料为灰铸铁；三是施加约束和压力（对与机身连接端面施加固定约束）；四是对气缸内壁添加最高气体压力P；五是划分网格并运行结果，如图4所示。图4中最大应力不超出气缸材料的许用应力即校核成功。

图4　气缸应力分析结果

3　传动部件设计

3.1　曲轴结构设计

曲轴受电动机以扭矩形式输入的动力，是活塞压缩机中将旋转运动变为活塞的往复直线运动的重要零件。假设曲拐垂直向上时为最大活塞力，则：最大活塞力 Fmax=F1cos45°+F2cos45°，F1、F2为两级汽缸的活塞力。分别按照经验公式得出曲柄销直径、主轴颈直径、曲柄厚度、曲柄宽度等参数，并利用SolidWorks获得三维模型如图5所示。

图5　曲轴三维模型

3.2　曲轴校核

同样引入SolidWorks软件的有限元分析插件SolidWorks Simulation对曲轴进行校核分析[5]。调用Simulation插件，具体过程同气缸校核过程类似，不同之处在于施加的约束和载荷不同，对轴颈施加扭矩和对曲柄销加载最大活塞力后的运行结果分别如图6和图7所示。

图6　轴颈施加扭矩的应力分析结果

图7　曲柄销加载最大活塞力的应力分析结果

4　结语

本文利用SolidWorks软件的CAD和CAE功能，采用虚拟设计技术，对两缸往复式活塞压缩机进行三维建模、虚拟校核及装配等，这样不但可以及早发现早期设计上的缺陷，降低后期制作的成本，而且还可以提高设计的可靠性，缩短压缩机的开发周期。同时该研究说明了基于SolidWorks虚拟设计在其他产品设计上的可行性。

[1]李锐，汪小芳.基于UG的三缸活塞式空气压缩机的虚拟设计[J].机械工程与自动化，2008（5）：65-67.

[2]唐良宝，白亮亮.活塞压缩机CAD设计系统研究[J].流体机械，2008（1）：43-46.

[3]韩绿霞.活塞式压缩机计算方法的研究[D].河南:郑州大学，2005：6-20.

[4]活塞式压缩机设计编写组.活塞式压缩机设计[M].北京：机械工业出版社，1974.

[5]朱礼友.基于SolidWorks的曲轴应力分析[J].科技信息，2008（27）：441.